半导体结构的形成方法与流程

1.本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种半导体结构的形成方法。


背景技术：

2.随着半导体器件集成度的提高，晶体管的关键尺寸不断缩小。然而，随着晶体管尺寸的急剧减小，栅介质层厚度与工作电压不能相应改变使抑制短沟道效应的难度加大，使晶体管的沟道漏电流增大。
3.鳍式场效应晶体管(fin field-effect transistor，finfet)的栅极成类似鱼鳍的叉状3d架构。finfet的沟道凸出衬底表面形成鳍部，栅极覆盖鳍部的顶面和侧壁，从而使反型层形成在沟道各侧上，可于鳍部的两侧控制电路的接通与断开。这种设计能够增加栅极对沟道区的控制，从而能够很好地抑制晶体管的短沟道效应。然而，鳍式场效应晶体管仍然存在短沟道效应。
4.此外，为了进一步减小短沟道效应对半导体器件的影响，降低沟道漏电流。半导体技术领域引入了应变硅技术，应变硅技术的方法包括：在栅极结构两侧的鳍部中形成凹槽；通过外延生长工艺在所述凹槽中形成源漏掺杂层。
5.为了防止不同晶体管的源漏掺杂层相互连接，需要在鳍部中形成隔离层，同时为了减小隔离层的面积，提高所形成半导体结构的集成度。现有技术引入了sdb(single diffusion break)技术。
6.然而，现有技术引入的sdb技术所形成的半导体结构性能较差。


技术实现要素：

7.本发明解决的技术问题是提供一种半导体结构的形成方法，能够有效的提升最终形成的半导体结构的性能。
8.为解决上述问题，本发明提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底包括第一区，所述第一区上具有若干相互分立的第一鳍部；在所述第一区上形成第一栅极结构，所述第一栅极结构横跨于所述第一鳍部上；在所述衬底上形成介质层，所述介质层覆盖所述第一栅极结构的侧壁；采用各向异性刻蚀工艺去除所述第一栅极结构、以及所述第一栅极结构覆盖的部分所述第一鳍部，在所述介质层内和所述第一鳍部内形成隔离开口；对所述隔离开口进行清洗处理，去除所述隔离开口内的残留物；在所述清洗处理之后，在所述隔离开口内形成隔离结构。
9.可选的，所述第一栅极结构包括：栅介质层、位于所述栅介质层上的功函数层金属层、以及位于所述功函数金属层上的保护层。
10.可选的，所述栅介质层的材料包括高k介质材料。
11.可选的，所述功函数金属层的材料包括氮化钽和氮化钛。
12.可选的，所述保护层的材料包括氮化硅。
13.可选的，采用各向异性刻蚀工艺去除所述第一栅极结构、以及所述第一栅极结构
覆盖的部分所述第一鳍部的方法包括：采用第一干法刻蚀工艺去除所述保护层；采用第二干法刻蚀工艺去除所述功函数金属层和所述栅介质层；采用第三干法刻蚀工艺去除所述第一栅极结构覆盖的部分所述第一鳍部。
14.可选的，所述第一干法刻蚀工艺的参数包括：刻蚀气体包括cf4、chf3、ch3f，其中cf4的气体流量为10标准毫升/分钟～100标准毫升/分钟、chf3的气体流量为50标准毫升/分钟～120标准毫升/分钟、ch3f的气体流量为100标准毫升/分钟～200标准毫升/分钟；压力为5毫托～100毫托；偏置电压为200伏～800伏安。
15.可选的，所述第二干法刻蚀工艺的参数包括：刻蚀气体包括cl2、bcl3、cf4，其中cl2的气体流量为5标准毫升/分钟～50标准毫升/分钟、bcl3的气体流量为100标准毫升/分钟～500标准毫升/分钟、cf4的气体流量为10标准毫升/分钟～100标准毫升/分钟；压力为5毫托～200毫托；偏置电压为500伏～1000伏安。
16.可选的，所述第三干法刻蚀工艺的参数包括：刻蚀气体包括hbr，其中hbr的气体流量为10标准毫升/分钟～200标准毫升/分钟；压力为5毫托～200毫托；偏置电压为200伏～1000伏安。
17.可选的，所述残留物的材料包括：氮化钽和氮化钛。
18.可选的，所述清洗处理包括：第一清洗处理、以及在所述第一清洗处理进行之后的第二清洗处理。
19.可选的，所述第一清洗处理的工艺参数包括：清洗气体包括wcl5、ar、h2，其中ar、h2作为载气体，wcl5的气体流量为300标准毫升/分钟～1000标准毫升/分钟，ar的气体流量为300标准毫升/分钟～1000标准毫升/分钟，h2的气体流量为3标准升/分钟～7标准升/分钟；清洗温度为400摄氏度～500摄氏度；压力为10托～50托。
20.可选的，所述第二清洗处理的工艺参数包括：20摄氏度～30摄氏度的hf，其中hf的溶液体积比为1：100～1:1000；20摄氏度～30摄氏度的nh4oh，其中nh4oh的溶液体积比为1：1～1:1:00；掺入hcl的水溶液，在n2的作用下呈雾状喷出。
21.可选的，所述第一栅极结构的形成方法包括：在所述第一区上形成第一伪栅结构，所述第一伪栅结构横跨于所述第一鳍部上，所述介质层覆盖所述第一伪栅结构的侧壁；去除所述第一伪栅结构，在所述介质层内形成第一栅极开口；在所述第一栅极开口内形成所述第一栅极结构。
22.可选的，所述衬底还包括与所述第一区相邻的第二区，所述第二区上具有若干相互分立的第二鳍部，所述第二鳍部和所述第一鳍部平行排布。
23.可选的，在形成所述第一栅极结构的过程中，还包括：在所述第二区上形成第二栅极结构，所述第二栅极结构横跨于所述第二鳍部上。
24.可选的，在形成所述第一栅极结构的过程中，还包括：在所述第一区上形成若干第三栅极结构，所述第三栅极结构横跨于所述第一鳍部上，且所述第一栅极结构位于相邻的所述第三栅极结构之间。
25.可选的，所述隔离结构的形成方法包括：在所述隔离开口内、以及所述介质层上形成初始隔离结构；对所述初始隔离结构进行平坦化处理，直至暴露出所述介质层的顶部表面为止，形成所述隔离结构。
26.可选的，所述初始隔离结构的形成工艺包括：化学气相沉积工艺、物理气相沉积工
艺或原子层沉积工艺。
27.可选的，对所述初始隔离结构进行平坦化处理的工艺包括化学机械研磨工艺。
28.可选的，所述隔离结构的材料包括氮化硅。
29.可选的，还包括：在所述衬底上形成隔离层，所述隔离层覆盖所述第一鳍部的部分侧壁，所述隔离层的顶部表面低于所述第一鳍部的顶部表面。
30.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
31.本发明技术方案的形成方法中，采用各向异性刻蚀工艺去除所述第一栅极结构、以及所述第一栅极结构覆盖的部分所述第一鳍部，在所述介质层内形成隔离开口。由于采用的为各向异性刻蚀工艺，因此能够保证在去除所述第一栅极结构的过程中，减小了发生过刻蚀所述介质层进而损伤到其他器件结构的问题。另外，在形成所述隔离开口之后，对所述隔离开口进行清洗处理，去除所述隔离开口内的残留物，使得后续在所述隔离开口内形成的隔离结构具有较好的填充效果，进而提升最终形成的半导体结构的性能。
附图说明
32.图1至图3是一种半导体结构的形成过程各步骤结构示意图；
33.图4至图17是本发明实例中半导体结构形成方法实施例各步骤结构示意图。
具体实施方式
34.正如背景技术所述，现有技术引入的sdb技术所形成的半导体结构性能较差。以下将结合附图进行具体说明。
35.图1至图3是一种半导体结构的形成过程各步骤结构示意图。
36.请参考图1和图2，图2是图1沿a-a方向的截面示意图，提供衬底100，所述衬底100包括沿第一方向x排布的第一区i和第二区ii，所述第一区i上具有若干沿所述第一方向x平行排布的第一鳍部101，所述第二区ii上具有若干沿所述第一方向x平行排布的第二鳍部102；在所述第一区i上形成第一栅极结构103，所述第一栅极结构103沿所述第一方向x横跨于所述第一鳍部101上；在所述第二区ii上形成第二栅极结构104，所述第二栅极结构104沿所述第一方向x横跨于所述第二鳍部102上；在所述衬底100上形成介质层105，所述介质层105覆盖所述第一栅极结构103和所述第二栅极结构104的侧壁。
37.请参考图3，图3与图2的视图方向一致，采用湿法刻蚀工艺去除所述第一栅极结构103、以及所述第一栅极结构103覆盖的部分所述第一鳍部101，在所述介质层105内形成隔离开口；在所述隔离开口内形成隔离结构106。
38.在本实施例中，所述隔离结构106为sdb结构，通过所述隔离结构106用来防止不同类型晶体管结构的源漏掺杂层发生连接的问题，起到隔离效果。而且，所述隔离结构106是通过去除所述第一栅极结构103所形成的，因此能够有效减小隔离的面积，提高所形成半导体结构的集成度。
39.然而，去除所述第一栅极结构103采用的为湿法刻蚀工艺，由于所述湿法刻蚀工艺具有各向同性的特性，因此，在去除所述第一栅极结构103的过程中，刻蚀溶液很容易发生过刻蚀的问题，进而对所述第二栅极结构104造成损伤(如图3中a部分所示)，使得最终形成的半导体结构的性能降低。
40.在此基础上，本发明提供一种半导体结构的形成方法，采用各向异性刻蚀工艺去除所述第一栅极结构、以及所述第一栅极结构覆盖的部分所述第一鳍部，在所述介质层内形成隔离开口。由于采用的为各向异性刻蚀工艺，因此能够保证在去除所述第一栅极结构的过程中，减小了发生过刻蚀所述介质层进而损伤到其他器件结构的问题。另外，在形成所述隔离开口之后，对所述隔离开口进行清洗处理，去除所述隔离开口内的残留物，使得后续在所述隔离开口内形成的隔离结构具有较好的填充效果，进而提升最终形成的半导体结构的性能。
41.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细地说明。
42.图4至图17是本发明实施例的一种半导体结构的形成过程的结构示意图。
43.请参考图4和图5，图5是图4中沿b-b方向截面示意图，提供衬底200，所述衬底200包括第一区i，所述第一区i上具有若干相互分立的第一鳍部201。
44.在本实施例中，所述衬底200还包括与所述第一区i相邻的第二区ii，所述第二区ii上具有若干相互分立的第二鳍部202，所述第二鳍部202和所述第一鳍部201平行排布。
45.在本实施例中，所述衬底200、第一鳍部201和第二鳍部202的形成方法包括：提供初始衬底(未图示)；在所述初始衬底上形成图形化层(未图示)，所述图形化层暴露出部分所述初始衬底的顶部表面；以所述图形化层为掩膜刻蚀所述初始衬底，形成所述衬底200、第一鳍部201和第二鳍部202。
46.在本实施例中，所述衬底200的材料为硅；在其他实施例中，所述衬底的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟。
47.在本实施例中，所述第一鳍部201的材料为硅；在其他的实施例中，所述第一鳍部的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或者镓化铟。
48.在本实施例中，所述第二鳍部202的材料为硅；在其他的实施例中，所述第二鳍部的材料还可以为锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或者镓化铟。
49.请参考图6，图6和图5的视图方向一致，在所述衬底200上形成隔离层203，所述隔离层203覆盖所述第一鳍部201的部分侧壁，且所述隔离层203的顶部表面低于所述第一鳍部201的顶部表面。
50.在本实施例中，所述隔离层203还覆盖所述第二鳍部202的部分侧壁，且所述隔离层203的顶部表面低于所述第二鳍部202的顶部表面。
51.在本实施例中，所述隔离层203的形成方法包括：在所述衬底200上形成初始隔离层(未图示)；刻蚀去除部分所述初始隔离层，形成所述隔离层203，所述隔离层203顶部表面低于所述第一鳍部201顶部表面。
52.所述隔离层203的材料采用绝缘材料，所述绝缘材料包括氧化硅或氮氧化硅；在本实施例中，所述隔离层203的材料采用氧化硅。
53.在本实施例中，在形成所述隔离层203之后，还包括：在所述第一区i上形成第一栅极结构，所述第一栅极结构横跨于所述第一鳍部201上；在所述第二区ii上形成第二栅极结构，所述第二栅极结构横跨于所述第二鳍202上；在所述第一区i上形成若干第三栅极结构，所述第三栅极结构横跨于所述第一鳍部201上，且所述第一栅极结构位于相邻的所述第三栅极结构之间；在所述衬底200上形成介质层，所述介质层覆盖所述第一栅极结构的侧壁。
具体形成过程请参考图7至图12。
54.请参考图7和图8，图8是图7中沿c-c方向截面示意图，在所述第一区i上形成第一伪栅结构204，所述第一伪栅结构204横跨于所述第一鳍部201上。
55.在本实施例中，在形成所述第一伪栅结构204的过程中，还包括：在所述第二区ii上形成第二伪栅结构205，所述第二伪栅结构205横跨于所述第二鳍部202上；在所述第一区i上形成若干第三伪栅结构206，所述第三伪栅结构206横跨于所述第一鳍部201上，且所述第一伪栅结构204位于相邻的所述第三伪栅结构206之间。
56.在本实施例中，所述第一伪栅结构204包括：伪栅介质层以及位于所述伪栅介质层上的伪栅层(未标示)。
57.在本实施例中，所述伪栅介质层的材料包括高k介质材料。
58.所述伪栅层的材料包括多晶硅或无定型硅。在本实施例中，所述伪栅层的材料采用多晶硅。
59.请继续参考图7和图8，在形成所述第一伪栅结构204之后，在所述衬底200上形成侧墙207，所述侧墙207位于所述第一伪栅结构204侧壁。
60.在本实施例中，所述第二伪栅结构205和所述第二伪栅结构206的侧壁也形成有所述侧墙207。
61.所述侧墙207的材料包括氮化硅、氧化硅和氮氧化硅中的一种或多种组合。在本实施例中，所述侧墙207的材料采用氮化硅。
62.请参考图9，图9和图7的视图方向一致，在所述第一鳍部201内形成第一源漏掺杂层208。
63.在本实施例中，在形成所述第一源漏掺杂层208的过程中，还包括：在所述第二鳍部202内形成第二源漏掺杂层209。
64.在本实施例中，所述第一源漏掺杂层208的形成方法包括：以所述第一伪栅结构204、第三伪栅结构206和侧墙207为掩膜刻蚀所述第一鳍部201，在所述第一鳍部201内形成第一源漏开口(未图示)；采用外延生长工艺在所述第一源漏开口内形成第一外延层(未图示)；在所述外延生长过程中对所述第一外延层进行原位掺杂，在所述外延层中掺入源漏离子，形成所述第一源漏掺杂层208。
65.在本实施例中，所述第二源漏掺杂层209的形成方法包括：以所述第二伪栅结构205和所述侧墙207为掩膜刻蚀所述第二鳍部202，在所述第二鳍部202内形成第二源漏开口(未图示)；采用外延生长工艺在所述第二源漏开口内形成第二外延层(未图示)；在所述外延生长过程中对所述第二外延层进行原位掺杂，在所述外延层中掺入源漏离子，形成所述第二源漏掺杂层209。
66.请参考图10，图10和图8的视图方向一致，在所述衬底200上形成介质层210，所述介质层210覆盖所述第一伪栅结构204的侧壁。
67.在本实施例中，所述介质层210还覆盖所述第二伪栅结构205和所述第三伪栅结构206的侧壁。
68.在本实施例中，所述介质层210的材料采用氧化硅；在其他实施例中，所述介质层的材料还可以为低k介质材料(低k介质材料指相对介电常数低于3.9的介质材料)或超低k介质材料(超低k介质材料指相对介电常数低于2.5的介质材料)。
69.请参考图11和图12，图12是图11中沿d-d方向截面示意图，在形成所述介质层210之后，去除所述第一伪栅结构204，在所述介质层210内形成第一栅极开口(未标示)；在所述第一栅极开口内形成所述第一栅极结构211。
70.在本实施例中，在形成所述第一栅极结构211的过程中，还包括：去除所述第二伪栅结构205，在所述介质层210内形成第二栅极开口(未标示)；去除所述第三伪栅结构206，在所述介质层210内形成第三栅极开口(未标示)；在所述第二栅极开口内形成所述第二栅极结构212；在所述第三栅极开口内形成所述第三栅极结构213。
71.在本实施例中，所述第一栅极结构211包括：栅介质层、位于所述栅介质层上的功函数层金属层、以及位于所述功函数金属层上的保护层(未标示)。
72.在本实施例中，所述栅介质层的材料包括高k介质材料。
73.在本实施例中，所述功函数金属层的材料包括氮化钽和氮化钛。
74.在本实施例中，所述保护层的材料包括氮化硅。
75.请参考图13至图15，图14是图13中沿e-e方向截面示意图，图15是图13中沿f-f方向截面示意图，采用各向异性刻蚀工艺去除所述第一栅极结构211、以及所述第一栅极结构211覆盖的部分所述第一鳍部201，在所述介质层210内和所述第一鳍部201内形成隔离开口214。
76.通过采用各向异性刻蚀工艺去除所述第一栅极结构211、以及所述第一栅极结构211覆盖的部分所述第一鳍部201，在所述介质层210内形成隔离开口214。由于采用的工艺为各向异性刻蚀工艺，因此能够保证在去除所述第一栅极结构211的过程中，减小了发生过刻蚀所述介质层210进而损伤到其他器件结构的问题。
77.在本实施例中，采用各向异性刻蚀工艺去除所述第一栅极结构211、以及所述第一栅极结构211覆盖的部分所述第一鳍部201的方法包括：采用第一干法刻蚀工艺去除所述保护层；采用第二干法刻蚀工艺去除所述功函数金属层和所述栅介质层；采用第三干法刻蚀工艺去除所述第一栅极结构211覆盖的部分所述第一鳍部201。
78.在本实施例中，所述第一干法刻蚀工艺的参数包括：刻蚀气体包括cf4、chf3、ch3f，其中cf4的气体流量为10标准毫升/分钟～100标准毫升/分钟、chf3的气体流量为50标准毫升/分钟～120标准毫升/分钟、ch3f的气体流量为100标准毫升/分钟～200标准毫升/分钟；压力为5毫托～100毫托；偏置电压为200伏～800伏安。
79.在本实施例中，所述第二干法刻蚀工艺的参数包括：刻蚀气体包括cl2、bcl3、cf4，其中cl2的气体流量为5标准毫升/分钟～50标准毫升/分钟、bcl3的气体流量为100标准毫升/分钟～500标准毫升/分钟、cf4的气体流量为10标准毫升/分钟～100标准毫升/分钟；压力为5毫托～200毫托；偏置电压为500伏～1000伏安。
80.在本实施例中，所述第三干法刻蚀工艺的参数包括：刻蚀气体包括hbr，其中hbr的气体流量为10标准毫升/分钟～200标准毫升/分钟；压力为5毫托～200毫托；偏置电压为200伏～1000伏安。
81.请参考图16，图16和图15的视图方向一致，对所述隔离开口214进行清洗处理，去除所述隔离开口214内的残留物。
82.在本实施例中，由于所述第一栅极结构211的侧壁并不是绝对垂直的，因此，在去除所述第一栅极结构211的过程中，会存在所述第一栅极结构211凹陷的侧壁不易被去除，
进而形成所述残留物。
83.在本实施例中，所述残留物的材料包括：氮化钽和氮化钛。
84.在本实施例中，所述清洗处理包括：第一清洗处理、以及在所述第一清洗处理进行之后的第二清洗处理。
85.其中，所述第一清洗处理的工艺参数包括：清洗气体包括wcl5、ar、h2，其中ar、h2作为载气体，wcl5的气体流量为300标准毫升/分钟～1000标准毫升/分钟，ar的气体流量为300标准毫升/分钟～1000标准毫升/分钟，h2的气体流量为3标准升/分钟～7标准升/分钟；清洗温度为400摄氏度～500摄氏度；压力为10托～50托。
86.由于所述残留物主要集中在拐角处，所述第一清洗处理具有各向同性的特性，因此通过所述第一清洗处理能去除大部分氮化钽和氮化钛的残留物。
87.所述第二清洗处理的工艺参数包括：20摄氏度～30摄氏度的hf，其中hf的溶液体积比为1：100～1:1000；20摄氏度～30摄氏度的nh4oh，其中nh4oh的溶液体积比为1：1～1:1:00；掺入hcl的水溶液，在n2的作用下呈雾状喷出。
88.由于所述第一清洗处理中包括wcl5清洗气体，在第一清洗处理之后还有少量的金属钨(w)的残留，因此通过第二清洗处理中的掺入hcl的水溶液对金属钨进行去除，且掺入hcl的水溶液在n2的作用下呈雾状喷出，具有一定的冲击力，能够使得清洗更加彻底。
89.通过去除所述隔离开口214内的残留物，使得后续在所述隔离开口214内形成的隔离结构具有较好的填充效果，进而提升最终形成的半导体结构的性能。
90.请参考图17，在所述清洗处理之后，在所述隔离开口214内形成隔离结构215。
91.在本实施例中，所述隔离结构215为sdb结构，通过所述隔离结构215用来防止不同类型晶体管结构的源漏掺杂层发生连接的问题，起到隔离效果。而且，所述隔离结构215是通过去除所述第一栅极结构211所形成的。有效减小隔离的面积，提高所形成半导体结构的集成度。
92.在本实施例中，所述隔离结构215的形成方法包括：在所述隔离开口214内、以及所述介质层210上形成初始隔离结构(未图示)；对所述初始隔离结构进行平坦化处理，直至暴露出所述介质层210的顶部表面为止，形成所述隔离结构215。
93.所述初始隔离结构的形成工艺包括：化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺或原子层沉积工艺。在本实施例中，所述初始隔离结构的形成工艺采用原子层沉积工艺。
94.在本实施例中，对所述初始隔离结构进行平坦化处理的工艺采用化学机械研磨工艺。
95.在本实施例中，所述隔离结构215的材料采用氧化硅。
96.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。